任振中 赵宝 贾琦琳
机械工业勘察设计研究院有限公司 陕西西安 710043
摘要：针对河道生生态护坡方案的择优问题，选用层次分析法计算择优指标主观权重、熵权法计算指标客观权重、基于最小相对信息熵计算指标综合权重，并利用该综合权重进行方案评估择优。结合关中地区某河道生态综合治理工程，对其4种生态护坡方案择优，并对指标层进行排序，协调度与综合权重皆为最佳，分别为0.8125、0.9012，关中地区某河道综合治理工程生态护坡最优方案为格宾石笼+多孔结构护坡。此外，还得到基于层次分析法和熵权法择优的河道护坡方案与利用模糊物元法择优的结论相一致，其择优体系是科学的、合理的。
关键字：层次分析法；熵权法；综合权重；生态护坡
Optimization of River Ecological Slope Protection Scheme Based on Analytic Hierarchy Process and Entropy Weight Method
Ren Zhenzhong Zhao Bao Jia Qilin
China JK Institute of Engineering Investigation and Design Co., Ltd.，Xi'an, Shaanxi 710043, China;
Abstract: Aiming at the optimization problem of ecological slope protection scheme, AHP is used to calculate the subjective weight of the optimization index, entropy method is used to calculate the objective weight of the index, and the comprehensive weight of the index is calculated based on the minimum relative information entropy. Combined with a river ecological comprehensive treatment project in Guanzhong area, the four ecological slope protection schemes are selected, and the index layers are sorted. The coordination degree and comprehensive weight are the best, which are 0.8125 and 0.9012 respectively. The optimal ecological slope protection scheme of a river ecological comprehensive treatment project in Guanzhong area is gabion + porous structure slope protection. In addition, it is concluded that the optimal scheme of river slope protection based on AHP and entropy weight method is consistent with the conclusion of fuzzy matter-element method, and its optimal system is scientific and reasonable.
Key words: Analytic hierarchy process; Entropy weight method; Comprehensive weight; Ecological slope protection
0 引言
我国为世界上河流最多的国家之一，除大江大河外，流域面积在200km2以上有防洪任务的中小河流有9000多条，这些河流作为水环境的重要载体，不仅承担着防洪、排涝、灌溉、生态等功能，还是生物繁衍、生长与栖息的场所[1-3]。河道护坡作为水环境与陆地之间水循环、物种发展的纽带，在河道生态治理过程中起到至关重要的作用，河道护坡类型择选科学与否将直接影响河道治理效果好坏[4-5]。因此，对河道护坡类型的择优体系的研究是非常重要的，基于当地河道现状、特点及两岸居民需求择选出科学合理的生态护坡类型，提高河道生态综合治理水平。
近年来，对于生态护坡择优体系的研究多集中于城镇河道，陈凯等学者[6]从护坡类型及材料、护坡稳定性、功能和社会经济效益4个方面，结合层次分析法与模糊综合法，构建生态护坡择优模型，并对合肥四里河段工程生态护坡择优进行应用。时蕊和唐德善[7]通过Ｇ１法与逼近理想点法分别计算出指标的主客观权重，再结合离差平方和的综合集成赋权法得到指标综合权重，进而得到最佳护坡方案。柴纯纯等学者[8]结合模糊层次与主成分分析综合评价法，从护坡安全、环境、景观及经济４个方面建立了城市河道生态护坡综合择优指标体系。徐得潜，张伟[9]从成本、施工材料、水利功能、生态功能和社会景观功能等５方面，构建平原、丘陵和山区３种乡村河道生态护坡综合评价体系，利用层次分析法确定这３种乡村河道生态护坡指标权重，并运用秩和比法对生态护坡进行评价。孙震[10]采用不同计算方法对评价指标的主观、客观及综合权重进行计算，并依据综合权重计算结果对城市河道护坡方案进行优选。
目前，研究建立一套科学合理、应用性强的河道生态护坡评价指标体系及评价方法，对城市河道综合治理与生态护坡建设具有重要意义。本文拟采用层次分析法—熵权法，将其主观分析与主成分分析的客观分析相结合对生态护坡进行综合评价，既可以考虑到评价指标间的相互关系又可以避免权重的均一性而导致评价的非公正性，以期使评价结果更符合现实意义，易于被人们理解和接受。
1 择优指标体系构建
1.1 择优指标体系构建的原则
影响生态护坡方案择优指标体系构建的因素多，并且它们之间相互影响，形成一个复杂系统，为了使择优指标切实可行、科学合理，在构建择优体系时除了应满足其在社会、生态、经济效益等方面的需求，还应遵循其指标构建原则[11-12]，具体内容如下：
(1)科学性。指标设置应简单可行，科学合理，能够客观地描述出生态护坡的基本特征。
(2)系统性。指标体系的层次结构，逻辑关系协调统一，能够基本呈现出河道生态护坡的基本状态，为其择优评价提供基础数据。
(3)全面性。综合考虑各影响因素，简化指标体系，力争做到所选指标能够确保择优目的的实现。
(4)可行性和可操作性。评价指标体系应具有一定的普遍性，便于实施。所选取的各指标参数要简单易得，便于分析。
(5)定量与定性相结合原则。为了进行综合评价，必须将反映生态护坡基本特征的指标定量化、规范化，既有定性描述，又有定量分析，并为采用定量方法和便于用数学模型处理奠定基础。同时也要考虑所选取的各指标参数要简单易得，便于计算和分析，更重要的是应具有实用性，以保证综合评价的客观理性。
1.2 择优指标的选取
生态护坡是一个十分复杂的体系，有多种因素组成，涵盖经济、社会、生态环境等多方面。对生态护坡方案择优指标体系的构建既要科学合理地体现其方案的优劣，还要彰显生态护坡方案的内涵与特征。在选择择优指标时应客观遵循其选取的全面性、科学性、系统性及可行性等原则，结合已有的评价指标体系，并根据所调查的实际情况，采取层次分析法河熵权法从基本水利功能、生态功能、景观功能及社会效益4方面构建生态护坡择优指标体系。具体指标内容如表1所示。
1.3 指标权重的确定
指标权重的确定方法有很多，主要分为主客观赋权法两大类，其中主观赋权法涵盖层次分析法法、G1赋权法、G2赋权法、专家打分法等，这些方法是依据各指标的重要程度，根据经验判定权重，此类方法运用广泛，但客观性较差；客观赋权法包括熵权法、离差平方和的综合集成赋权法等，这类方法是将原始信息与客观环境相结合，利用权重系数来表示各择优指标在指标总体中的变异程度及对其他指标影响程度的度量[13]。为了更加客观合理地确定指标权重，采用主观赋权法与客观赋权法相结合的方法确定生态护坡方案择优体系的指标权重。首先分别利用AHP法和熵权法得到各指标权重，然后再结合最小信息熵原理，计算出其组合权重。
2 择优体系的构建
2.1 APH-熵权法
为有效解决主观随意性和单一方法解释性较差的问题，文章通过对熵值法、AHP 法的集成运算确定各参数的综合权重，进一步确定了影响生态护坡的关键性因素。其主要步骤如下：
步骤1：层次分析法
（1）构建生态护坡方案层次分析结构。
（2）构建判断矩阵Ｕ；通过1～9标度将其各因素进行初步量化转换如表1所示，详细判断矩阵如表2所示。
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（2）数据的非负数化处理
由于熵值法计算采用的是各个方案某一指标占同一指标值总和的比值，因此不存在量纲的影响，不需要进行标准化处理，若数据中有负数，就需要对数据进行非负化处理；此外，为了避免求熵值时对数的无意义，需要进行数据平移：
对于越大越好的指标：
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2.2 最小相对信息熵确定组合权重
综合指标的主观权重w1i和客观权重w2i可得组合权重wi，i=1-n。wi与w1i和w2i应尽可能接近。根据最小相对信息熵原理，用拉格朗日乘子法优化可得组合权重计算式：
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通过以上步骤，即可确定不同方法下河道生态护坡方案择优体系中各指标的权重。对河道生态护坡方案进行综合评价时，采用组合法权重对河道生态护坡方案进行评价，系统层指标权重由指标层权重相加得到。单独对系统层指标的质量进行评价时，此时的评价体系只含有系统层和指标层，不含有目标层，指标层指标权重则通过计算原指标层权重与其对应的系统层权重的比值得到。
2.3 生态护坡方案择优综合计算模型
将指标组合权重wi与生态护坡方案的指标无量纲化处理后的值yi进行合成运算，可得到生态护坡方案综合各指标的权重值。
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2.4 生态护坡方案择优体系协调度分析
生态护坡方案择优体系的核心不仅在于各具体择优指标值及综合择优值的高低，还在于相互之间协调程度的评价。协调度是度量要素之间协调状况好坏程度的定量指标。生态护坡方案择优体系指生态护坡方案择优指标体系4个系统层之间彼此协调一致的程度。生态环境、社会环境、人文环境和经济环境的指标值越接近，说明4大系统之间越协调。协调度(A)的计算公式为：
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式中：M为系统层指标的平均值;S为系统层指标的标准差。A值介于0～1，该值越接近1，说明各系统间的协调程度越高(表3)。
为全面分析多个护坡房间各指标协调情况，将同一系统层指标下的多个护坡方案看作一个系统，则可将协调度运用于多个护坡方案间同一系统层指标的分析，以此得到不同护坡方案间同一指标的协调度。此时式(8)中的M为多个护坡方案间同一指标的平均值，S为多方案的同一指标值的标准差。
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３ 应用实例
３.1 关中地区某河道生态护坡基本概况
关中地区某河流由于多年未进行综合治理，河道护坡损毁严重、堤防质量较差、防洪标准偏低，从而影响了两岸经济的发展，威胁着两岸居民的安全。为此必须对期河道进行综合治理，其中重点整治河段长2.0km。综合考虑防洪、生态保护、景观和亲水等因素，初步拟定以下4种方案，分别为方案1植被型生态混凝土护坡；方案2多孔结构护坡；方案3生态石笼护坡；方案4格宾石笼+多孔结构护坡。
3.2 不同生态护坡方案的择优指标权重
客观、科学的对评价指标进行选取不仅影响可提高评估结果的说服力和真实性，而且可有效提高模型的计算效率并降低预测误差，据此本文结合相关研究资料和研究区域实际状况，分别选取了4个系统层12项指标层，由相关方面专家分别对上述4种不同护坡方案进行打分评价，然后通过层次分析法与熵权法相结合对各评价指标进行定量与定性的计算，不同评价指标之间量纲和单位不同，无法直接进行比较分析，故需对各指标进行标准化归一处理，各评价指标体系与计算结果如表4所示。
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由表4可知4种护坡形式的系统层指标权重分别为0.2229、0.4817、0.1531及0.1423，其中，生态环境系统指标所占比例最大，达到0.4817，这恰恰符合河道生态护坡的要求。专家依据指标间重要程度给出上述指标体系关系式为水环境修复＞物种多样性＞稳定性>工程成本>亲水性>防洪排涝>抗冲刷性>自然性>群落结构>维护费用>协调性>公众认可度。4种方案权重值依次为为0.7614、0.8012、0.7963及0.8125，其中方案4为最佳，其表现出了较好的安全性、生态环境性以及景观性，且建造成本和维护成本相对较低。方案1由于生产工艺不太完善，护坡成本比较高。方案3与方案2的生态环境性优于其他２种护坡，但其安全性和景观美感度有待提高。
3.3 生态护坡方案的协调度
根据生态护坡方案择优各系统层指标权重，计算出多方案间的协调发展程度。生态护坡方案择优系统层各指标之间的协调度能够反映出各方案协调发展状况。4种生态护坡方案系统层指标的协调度值在0.7524-0.9012，均达到一般协调。其中，方案4(0.9012)为最佳协调、方案2(0.8735)和方案3(0.8245)均为较佳协调，方案1(0.7524)属于一般协调，说明各方案内部护坡安全性、生态环境、经济效益和经济效益都有一定程度的协调，但对于择优方案而言，还其他方案还有进一步优化的空间。
为了对上述评价方案的合理性和科学性进行深入的验证，本文利用模糊物元法[14]重新对关中地区某河道整治护坡方案进行优选评估，最终得到的各方案有些排序与上述计算结果相吻合。河道护坡整治方案采用综合集成赋权法的优选结果具有较高的适用性和可靠性，所选方案较为科学合理。
4 结论
本文通过分析主客观评价方法的适用范围和优缺点，将二者进行有机的结合得到了基于层次分析法与熵权法，不仅兼顾主、客观赋权法的基本属性，而且避免了主观的随意判断缺陷，克服了单一赋权法的片面性能。结合关中地区某河道水环境综合治理工程，利用层次分析法与熵权法的综合权重进行护坡方案的优选决策分析，得出的主要结论如下：
1、4种护坡形式的系统层指标权重分别为0.2229、0.4817、0.1531及0.1423，其中，生态环境系统指标所占比例最大，达到0.4817，这恰恰符合河道生态护坡的要求。专家依据指标间重要程度给出上述指标体系关系式为水环境修复＞物种多样性＞稳定性>工程成本>亲水性>防洪排涝>抗冲刷性>自然性>群落结构>维护费用>协调性>公众认可度。
2、4种方案权重值依次为为0.7614、0.8012、0.7963及0.8125，其中方案4为最佳，其表现出了较好的安全性、生态环境性以及景观性，且建造成本和维护成本相对较低。方案1由于生产工艺不太完善，护坡成本比较高。方案3与方案2的生态环境性优于其他２种护坡，但其安全性和景观美感度有待提高。
3、根据生态护坡方案择优各系统层指标权重，计算出多方案间的协调发展程度，生态护坡方案择优系统层各指标之间的协调度能够反映出各方案协调发展状况。4种生态护坡方案系统层指标的协调度值在0.7524-0.9012，均达到一般协调，其中方案4协调度为最佳，其值为0.9012。
参考文献
[1] 蔡浚,王春树,王卫.开展水资源引清调度对改善河道水环境的探讨[J].中国水利,2011(07):39-41.
[2] 丁一.城市河道水环境综合整治工程实测[J].环境工程,2018,36(09):30-35.
[3] 李瑞成,邱宏俊.深圳市新桥河水环境综合治理工程设计[J].中国给水排水,2020,36(16):95-100.
[4] 余恒,孙安民.黑臭河道生态治理综合技术研究与应用实例[J].水处理技术,2019,45(07):128-132.
[5] 高婷,赵彦伟,常国梁,等.北方平原区中小河道生态治理技术筛选[J].环境工程,2020,38(10):41-46.
[6] 陈凯,徐得潜,王梅婷.城市河道生态护坡模糊层次综合评价研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2011,34(06):877-881.
[7] 时蕊,唐德善.基于离差平方和的综合集成赋权法优选城市河道护坡方案[J].水电能源科学,2013,31(09):98-100.
[8] 柴纯纯,徐得潜,张浏,等.基于模糊层次—主成分分析法的城市河道生态护坡综合评价[J].水土保持通报,2016,36(05):167-171+177.
[9] 徐得潜,张伟.乡村河道生态护坡评价方法[J].水土保持通报,2017,37(06):197-201+208.
[10] 孙震.基于综合集成赋权法优选城市河道护坡方案[J].水土保持应用技术,2018(04):42-44.
[11] 王梅婷,徐得潜,陈凯.城市河道生态护坡综合评价指标体系研究[J].水土保持通报,2011,31(01):198-202.
[12] 徐得潜,张伟.乡村河道生态护坡评价方法[J].水土保持通报,2017,37(06):197
-201+208.
[13] 晏育文,郑少智.中国产业投资效益综合评价方法研究[J].2012(08).1-6.
[14] 张俊华,杨耀红,陈南祥.模糊物元模型在水库水质评价中的应用[J].水电能源科学,2011,29(01):17-19.